CN113375494A - 基于界面热阻效应的负微分热导器件、装置及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于界面热阻效应的负微分热导器件、负微分热导装置及应用，负微分热导器件包括：加热端、与其间隔的被加热端以及布置在两者之间且由两段材料紧贴构成的同质结/异质结结构，同质结/异质结在负微分热导器件工作温度区间整体具有负的有效热膨胀系数。该负微分热导器件在工作温度区间内能实现热流随外界温差增加而非单调增加，即热流存在极大值，可以用于实现热开关、特定温度散热器以及热三极管等，在待调控的热输运路径中，仅通过形成简单的同质结/异质结结构，利用热器件对温度的依赖特性，实现了具有温度依赖特性的热流控制，无需外部温度探测和控制装置，简化了热控制系统，增强了热控制系统的准确性与及时性。
Description
技术领域
本发明属于热器件技术领域，具体而言，涉及一种基于界面热阻效应的负微分热导器件、负微分热导装置及应用。
背景技术
负微分热导效应是指施加在器件或装置两端的温度差增大时，流过器件或装置的热流不增反减的一种非线性热输运效应。在热器件的发展过程中，负微分热导效应被认为是构造热三极管、热逻辑器件的一种重要的方法，可以实现热流的开关功能、放大功能、逻辑运算等功能。因此，负微分热导效应一直以来受到了广泛关注。
现有技术中已设计出许多具有负微分电阻的电学器件，但具有负微分热阻的热学器件却还未实现。目前大多数的热控制采取非直接温度反馈的方式：通过热电偶采集温度信息传递给控制器，再通过控制器对热输运过程进行调节。整个过程需要一个完整的闭环控制系统，热器件的整体使用条件受制于各个部分的总和，因此其工作稳定性不强、许多特殊情况难以适用。
发明内容
本发明旨在提供一种基于界面热阻效应的负微分热导器件、负微分热导装置及应用，利用热器件对温度的依赖特性，实现了具有温度依赖特性的热流控制器件。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种基于界面热阻效应的负微分热导器件，包括：加热端、与加热端间隔开的被加热端以及布置在所述加热端和被加热端之间且由第一材料和第二材料紧贴构成的同质结/异质结结构，所述同质结/异质结在工作温度下整体具有负的有效热膨胀系数。
根据本发明，第一材料的一端固定于加热端上，第二材料的一端固定于被加热端上。
根据本发明，第一材料和第二材料中至少有一段材料在工作温度区间中出现负热膨胀效应，以使得所述器件在工作区间内出现负微分热导特征。
根据本发明，第一材料和第二材料选自负热膨胀材料中的一种或多种。
根据本发明，负热膨胀材料可以是选取Si、ZrW2O8、Bi0.95La0.05NiO3和Mn3Cu0.53Ge0.47N中的一种或多种，本发明优选上述材料，但并不局限于此。
根据本发明，负微分热导器件为一维、二维或三维结构，优选为线状结构、环状结构或柱状结构。
根据本发明的另一方面，还提供了一种负微分热导装置，其含有上述任一种所述的负微分热导器件。
根据本发明的又一方面，还提供了一种负微分热导器件在热逻辑器件、热整流器件或热控制器中的应用，如在热三极管、特定温度散热器、特定温度热开关中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明通过在待调控的热输运路径中，仅通过加入简单的同质结/异质结结构，利用热器件对温度的依赖特性，即可实现具有温度依赖特性的热流控制器件，无需外部温度探测装置和控制装置，简化了热控制系统，增强了热控制系统的准确性与热操控的及时性。同时，本发明得到的具有负微分热导特征的热器件，在工作温度区间内能实现热流随外界温差增加而非单调增加，即热流存在极大值，可以用于实现热开关、特定温度散热器以及热三极管等。本发明基于界面热阻效应的具有负微分热导特征的热器件，将极大促进发展热逻辑器件领域。
本发明所涉及的热器件直接依赖于自身温度反馈无需外界测温装置和控制装置，具有较高的工作稳定性及广泛的适用性，将有利于促进多种类热器件的发展，实现更直接、高效的热控制，此外所涉及的器件结构简单、材料形状具有可塑性，可应用于一维、二维乃至三维热输运调控，适用范围广泛，易于生产和应用。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于界面热阻效应的负微分热导器件一维结构示意图。
图2为本发明提供的一种基于界面热阻效应的负微分热导器件加热端和被加热端间温度差与热流曲线图(以Si同质结为例)。
图3为本发明提供的一种基于界面热阻效应的负微分热导器件二维结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合本附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。需要强调，此处描述的具体实施例仅用于更好的阐述本发明，为本发明部分实施例，而非全部实施例，所以并不用作限定本发明。此外，下面描述的本发明实施例中涉及的技术特征，只要彼此间未构成冲突，即可以相互组合。
如图1-3所示，基于界面热阻效应的负微分热导器件(NDTC)包括：加热端1以及与其间隔开的被加热端4，布置在加热端1和被加热端4之间且由两段材料紧贴构成的同质结/异质结结构(即同质结或异质结结构)。其中，构成同质结/异质结结构的两段材料(即第一材料2和第二材料3)中至少有一段材料在工作温度区间中出现负热膨胀效应，以使得热器件在工作区间内出现负微分热导特征，这样同质结/异质结在工作温度下整体具有负的有效热膨胀系数。
本发明所采用的同质结/异质结结构为市售产品。该同质结/异质结材料整体具有负热膨胀特性，可以是只有第一材料2或第二材料3选取为负热膨胀材料，也可以是由掺杂了正热膨胀材料的负热膨胀材料构成。
本发明的负微分热导器件由两段材料接触构成，两段材料可由同质或异质材料构成。在负微分热导器件工作期间，加热端和被加热端之间温度差将作用于同质结/异质结，并产生热流依次通过同质结/异质结，热器件所具有的负微分热阻效应起源于同质结/异质结界面热阻效应。当加热端与被加热端温度相同、无热流通过同质结/异质结时，同质结/异质结的界面相互接触良好，具有一定的相互挤压作用，同质结/异质结界面热阻较小，同质结/异质结热输运通道处于打开状态。当加热端与被加热端温度差增大时，具有负热膨胀系数的同质结/异质结结构体积收缩，同质结/异质结结构界面处压强减小，导致所述同质结/异质结间界面热阻快速增大，当加热端与被加热端温度差大于温度差阈值后，同质结/异质结构成的热输运通道将逐渐关闭，引起负微分热导效应。
优选地，第一材料2和第二材料3选自负热膨胀材料中的一种或多种。其中负热膨胀材料可选取但不局限于Si、ZrW2O8、Bi0.95La0.05NiO3、Mn3Cu0.53Ge0.47N等材料。根据本发明，材料的选取应综合考虑同质结/异质结的有效总热膨胀系数、工作温度区间、材料热导率温度依赖关系及热器件工作时所需的热流大小等因素。
优选地，同质结/异质结结构两端分别与加热端1和被加热端4紧密接触并固定，保证在工作时不发生移动。也就是说加热端1与第一材料2间的接触面、第二材料3与被加热端4间的接触面均紧密接触并固定设置。此步骤是考虑由于负热膨胀材料收缩具有整体性，将负热膨胀材料两端固定可以更加快速的关闭热输运通道，实现更加精确的热输运控制。
在本发明的一个实施例中，以热输运通道由Si同质结构成为例，将此同质结置于加热端1和被加热端4形成的温度场中，控制被加热端温度始终保持为100K，使加热端温度从100K逐渐变化到120K，并测量稳态热流J随加热端1与被加热端4间温度差的关系，结果如图2所示，热流在温度差为15K时出现极大值，即出现负微分热导现象。也就是说，热器件的温差-热流曲线以第一施加温差和大于第一施加温差的第二施加温差之间的递减热流，即出现热流极大值为特征。此特征为我们实现特定温度加热、控温提供了一种新的思路，简化了以往的温度探测器和温度控制器组合实现温度控制的方法，利用热输运通道自身性质实现加热、控温的性质。
优选地，当加热端1与被加热端4温度差大于温度差阈值后，通过所述同质结/异质结的电流逐渐减小为0，即热逻辑器件输出值由1变为0。这也为热逻辑器件的设计提供了一种直接的思路。上述举例是在100K左右的低温，本发明并不局限于此，可以通过更换构成热输运通道的负热膨胀材料，以此来设计在不同温度区间中工作的负微分热导器件和负微分热导装置。
根据本发明，负微分热导器件可以为一维、二维或三维结构，例如可以为线状结构、环状结构或柱状结构。作为本发明实施例的拓展方案，构成热输运通道的同质结/异质结结构还可以具有其它形状，如图3示出了一种基于界面热阻效应的具有负微分热导特征的二维热器件。构成同质结/异质结结构的两段材料，其体积、表面积、形状均未作具体严格规定，可以根据需要调控的热输运维度、加热端样貌、被加热端样貌等因素进行自行设定。
作为本发明实施例的优化方案，所述同质结/异质结结构两段材料均采用具有较大负热膨胀效应的材料组成，可以实现更为尖锐的稳态热流和加热端1与被加热端4间温度差曲线，利用此性质可以实现局域小范围的、高精度的热调控器件设计。
作为本发明实施例的优化方案，所述同质结/异质结结构两段材料可以选用一段负热膨胀材料和一段正热膨胀材料组成，并保证所述同质结/异质结结构在工作区间内具有负的有效热膨胀系数，可以实现较为平缓的稳态热流和加热端1与被加热端4间温度差曲线，利用此性质可以实现局域较大范围的热调控器件设计。优选地，所述同质结/异质结结构可以选取但不局限于：ZrW2O8、HfW2O8等材料。
根据本发明的另一方面，还提供了一种基于界面热阻效应的负微分热导器件在热逻辑器件、热整流器件、热控制器件中的应用，具体如在热三极管、特定温度散热器、特定温度热开关中的应用。
优选地，包括对热开关进行串并联，构造特定需求热逻辑电路，可以实现复杂的热控制系统。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其同物限定。
Claims (8)
1.一种基于界面热阻效应的负微分热导器件，包括：加热端(1)、与所述加热端(1)间隔开的被加热端(4)以及布置在所述加热端(1)和所述被加热端(4)之间且由第一材料(2)和第二材料(3)紧贴构成的同质结/异质结结构，所述同质结/异质结在工作温度下整体具有负的有效热膨胀系数。
2.根据权利要求1所述的负微分热导器件，其特征在于，所述第一材料(2)的一端固定于所述加热端(1)上，所述第二材料(3)的一端固定于所述被加热端(4)。
3.根据权利要求1或2所述的负微分热导器件，其特征在于，所述第一材料(2)和所述第二材料(3)中至少有一段材料在工作温度区间中出现负热膨胀效应，以使得所述负微分热导器件在工作区间内出现负微分热导特征。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的负微分热导器件，其特征在于，所述第一材料(2)和所述第二材料(3)选自负热膨胀材料中的一种或多种。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的负微分热导器件，其特征在于，所述负热膨胀材料选取Si、ZrW2O8、Bi0.95La0.05NiO3和Mn3Cu0.53Ge0.47N中的一种或多种。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的负微分热导器件，其特征在于，所述负微分热导器件为一维、二维或三维结构，优选为线状结构、环状结构或柱状结构。
7.一种负微分热导装置，其特征在于，含有权利要求1至6中任一项所述的负微分热导器件。
8.权利要求1至6中任一项所述的负微分热导器件或权利要求7中所述负微分热导装置在热逻辑器件、热整流器件或热控制器中的应用，例如在热三极管、特定温度散热器、特定温度热开关中的应用。
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